探討光纖陀螺儀在搖擺狀態(tài)下的誤差測試分析方法

王吉英

摘要：為了了解搖擺狀態(tài)下光纖陀螺儀的測量誤差，使用了高頻角振動(dòng)臺(tái)，同時(shí)還采用了角速率積分的分析方法，以此來測量數(shù)值和分析誤差，在誤差測試中，應(yīng)明確誤差測試的原理，根據(jù)角速率積分的計(jì)算步驟和計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過檢測和分析，發(fā)現(xiàn)測試的誤差較小，可以利用該方法進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果提高光纖陀螺儀的精確性。

關(guān)鍵詞：光纖陀螺儀;搖擺狀態(tài);誤差測試

前言：

光纖陀螺儀是一種慣性儀表，有較多優(yōu)勢(shì)，其系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)不同的光束判斷角速度，非常可靠，具有良好的性能和較長的使用壽命，光纖陀螺儀可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域，對(duì)搖擺狀態(tài)誤差測試進(jìn)行研究，能夠發(fā)現(xiàn)光纖陀螺儀的不足，進(jìn)一步增強(qiáng)光纖陀螺儀的精確性。

1光纖陀螺儀的應(yīng)用

光纖陀螺儀有不同的精度，在精度中等或者精度較高的情況下，一般會(huì)在軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域和空間技術(shù)方面使用光纖陀螺儀，但是光纖陀螺儀的成本也相對(duì)較高，例如，船舶可以利用光纖陀螺儀尋找方向，計(jì)算出角度和速率等數(shù)據(jù)，航天領(lǐng)域可以利用光纖陀螺儀掌握飛機(jī)數(shù)據(jù)，火箭升空時(shí)，還能對(duì)火箭進(jìn)行跟蹤。當(dāng)光纖陀螺儀的精度和成本相對(duì)較低時(shí)，可以將其用于汽車導(dǎo)航和汽車定位，還能在姿態(tài)控制和機(jī)器人控制等方面進(jìn)行應(yīng)用[1]。

2光纖陀螺儀在搖擺狀態(tài)下的誤差測試研究

2.1誤差測試原理

光纖陀螺儀光路由幾個(gè)部分構(gòu)成，最基礎(chǔ)的是光源和Y波導(dǎo)，其中還包含兩個(gè)重要裝置，分別是光纖環(huán)傳感器與耦合器，共同構(gòu)成一個(gè)微系統(tǒng)。光源會(huì)產(chǎn)生光，光在傳播的過程中，會(huì)穿過2×2單模光纖耦合器，隨后光會(huì)經(jīng)過Y波導(dǎo)，在整個(gè)光纖環(huán)內(nèi)部，光會(huì)向著另一個(gè)方向傳播，返回的時(shí)候同樣會(huì)經(jīng)過Y波導(dǎo)，在此處的合光點(diǎn)部位進(jìn)行干涉，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉光波，繼續(xù)傳播會(huì)穿過2×2單模光纖耦合器，最后傳播到探測器那里。在旋轉(zhuǎn)的過程中，兩束光會(huì)受到Sagnac效應(yīng)的影響，形成光程差和相位差，纏身干涉光波。要想了解準(zhǔn)確的旋轉(zhuǎn)速度，可以用光電探測器，用該裝置得出干涉光強(qiáng)的具體數(shù)據(jù)[2]。

假設(shè)光纖陀螺儀圍繞著敏感軸運(yùn)動(dòng)，處于正弦搖擺的狀態(tài)中，此時(shí)，將搖擺的頻率設(shè)定為f，將角速率的最高值設(shè)定為M，這樣就會(huì)得到光纖陀螺敏感的角速率，角速率計(jì)算公式如下：

得到敏感的角速率后，對(duì)其進(jìn)行一次微分，經(jīng)過計(jì)算，就能得到角加速度：

從公式（1）和公式（2）能歐看出，光纖陀螺儀進(jìn)行正弦搖擺時(shí)，不僅會(huì)做變角速率運(yùn)動(dòng)，還會(huì)做變角加速度運(yùn)動(dòng)，輸入角速度并不是固定不變的，在運(yùn)動(dòng)的過程中，具體的數(shù)值會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)敏感的角速率進(jìn)行計(jì)算，能夠計(jì)算出角位移的數(shù)值：

其中，T代表時(shí)間，要想知道確切時(shí)間下的角位移，可以按照以下公式計(jì)算：

要想得到特定時(shí)間中的角位移誤差，需要運(yùn)用積分得到的角位移，通過計(jì)算得出該數(shù)字與實(shí)際角位移數(shù)值的差值，這就是角位移誤差：

2.2誤差測試方法

進(jìn)行光纖陀螺儀角振動(dòng)誤差測試之前，需要安裝測試用的設(shè)備和裝置，在高頻角振動(dòng)臺(tái)上，需要放置光纖陀螺儀，將其放到中心點(diǎn)的位置，固定好光纖陀螺儀后，注意輸入軸的角度和方向，要與振動(dòng)軸保持相同的方向。角振動(dòng)臺(tái)連接著控制機(jī)柜，光纖陀螺儀連接著快采模塊，該模塊通著電源，連接著計(jì)算機(jī)。通上電之后，連續(xù)采集陀螺儀的輸出數(shù)值。

設(shè)定時(shí)間為（i=1，…，n1-2，n1-1，n1），具體時(shí)間下的陀螺儀輸出數(shù)值為，振動(dòng)之前，將輸出數(shù)值的平均值設(shè)定為，輸出均值的計(jì)算方法如下：

設(shè)定震動(dòng)頻率，同時(shí)還要設(shè)定幅度，設(shè)置好參數(shù)后開啟角振動(dòng)臺(tái)，持續(xù)記錄輸出的數(shù)值，設(shè)定時(shí)間為（j=n1+1，n1+2，…，n2-2，n2-1，n2），特定時(shí)間下的光纖陀螺儀輸出為，在振動(dòng)狀態(tài)中，光纖陀螺儀輸出數(shù)值的平均值為，此時(shí)的輸出均值如下：

將角振動(dòng)臺(tái)關(guān)閉，讓轉(zhuǎn)臺(tái)處于最開始的位置，關(guān)閉角振動(dòng)臺(tái)后的時(shí)間設(shè)定為（k=n2+1，n2+2，…，n3-2，n3-1，n3），此時(shí)的陀螺儀輸出數(shù)值為，完成振動(dòng)之后，光纖陀螺儀輸出數(shù)值的平均值為，公式如下：

地球自轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)光纖陀螺儀產(chǎn)生影響，考慮地球自轉(zhuǎn)的情況下，光纖陀螺儀敏感的角速率為，將陀螺標(biāo)度因數(shù)設(shè)定為K計(jì)算公式如下：

轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也會(huì)對(duì)陀螺儀的檢測數(shù)值產(chǎn)生影響，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中的角速率和角位移，將陀螺儀數(shù)據(jù)收集的周期設(shè)定為Δt，角位移的計(jì)算公式如下：

角振動(dòng)臺(tái)不再轉(zhuǎn)動(dòng)并回到最開始的方位時(shí)，能夠得到角位移誤差，計(jì)算公式如下：

2.3誤差測試結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算和分析，發(fā)現(xiàn)在正弦搖擺狀態(tài)中檢測的數(shù)據(jù)誤差較小，用角速率積分進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)角位移誤差明顯，光纖陀螺儀搖擺時(shí)，角位移向著某個(gè)方向移動(dòng)，最大的角位移累計(jì)誤差大約為0.078°。該誤差有可能與閉環(huán)反饋參數(shù)設(shè)計(jì)有關(guān)，重新設(shè)置參數(shù)后，誤差變?yōu)?.0065°。

結(jié)論：在誤差測試中，當(dāng)光纖陀螺儀處于搖擺狀態(tài)時(shí)，對(duì)輸出數(shù)值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)誤差并不明顯，使用角速率積分的方式進(jìn)行分析，測量誤差比較明顯，根據(jù)誤差分析發(fā)展趨勢(shì)和規(guī)律特點(diǎn)，探究誤差的原因并進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的誤差較小，證明了本文的測試方法是有效的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張耀方，董暉.光纖陀螺儀中尖峰脈沖引起漂移的誤差和抑制探討[J].信息系統(tǒng)工程，2019（08）：147.

[2]閭曉琴，黃鑫巖，高峰，等.光纖陀螺儀在搖擺狀態(tài)下的誤差測試分析方法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（07）：21-22+27.